Упаковки для долговременного хранения неперерабатываемого ОЯТ

Значительное количество накопленного ОЯТ, создавшее серьезную проблему для окружающей среды региона, обусловило необходимость разработки стратегических подходов к решению первоочередных и перспективных задач в области обращения с ядерным топливом судовых ЯЭУ. С целью организации единой системы обращения с корабельным топливом Минатомом России сформирована Концепция обращения с ОЯТ, которая подразумевает контейнерное хранение топлива на срок до 50 лет, до создания необходимых мощностей для его переработки /37/.

Как отмечалось ранее, для ОЯТ, которое в настоящее время не принимается промышленностью на переработку, перспектива долговременного хранения в регионе является наиболее вероятной. Поэтому определенный практический интерес представляет ориентировочная оценка количества упаковок, которые могут потребоваться для хранения рассматриваемых типов ядерного топлива.

Прежде чем перейти к оценке количества упаковок, остановимся на кратком описании их конструктивных особенностей.

Концепция контейнерного хранения ОЯТ базируется на создании двухцелевых металлобетонных контейнеров (МБК), предназначенных для транспортирования, хранения и/или захоронения отработавшего ядерного топлива транспортных реакторов. Государственное предприятие Конструкторское бюро специального машиностроения совместно с рядом проектно-конструкторских организаций, а также с АООТ «Ижорские заводы», предложило технологию безопасного «сухого» хранения ОЯТ судовых ЯЭУ в двухцелевом контейнере на базе инженерно-технических решений по МБК для ОЯТ коммерческих российских АЭС с реакторами РБМК /96/. Герметичный, сверхпрочный, радиационно-защитный металлобетонный контейнер является мини-хранилищем, отвечающим национальным нормам и рекомендациям правил МАГАТЭ по безопасности хранения, и в 3-4 раза дешевле аналогичного стального контейнера.

Использование металлобетонного контейнера является основным отличием нового упаковочного комплекта для ОЯТ судовых ЯЭУ от ТУК-18 /59/, который в настоящее время используется для транспортирования такого ОЯТ. Металлобетонный контейнер представляет собой цилиндрическую конструкцию, состоящую из корпуса и двух крышек. Корпус МБК состоит из трех концентрично расположенных сварных обечаек (внутренней, наружной и силовой) с днищем, объединенных сверху силовым перекрытием – комингсом, являющимся опорным элементом герметизирующих крышек. Обечайки образуют две автономные кольцевые полости, заполненные особо прочным сверхтяжелым бетоном, армированным армокаркасами, связанными между собой радиально скобами. Таким образом, в соответствии с проектом корпус представляет собой единый композиционный материал – металлобетон. Корпус закрывается двумя герметичными крышками (внутренней – защитно-герметизирующей и наружной – защитной) и оборудован системой клапанов /84/.

В настоящее время разработаны две модификации транспортно-упаковочного комплекта /6,97,98/. Одна модификация (ТУК-108) основана на использовании МБК массой 40 тонн (МБК-40), который предназначен для транспортирования и временного хранения ОЯТ, выгружаемого из российских АПЛ. Этот контейнер способен вместить кондиционное и дефектное топливо и может применяться с использованием оборудования и инфраструктуры, которыми в настоящее время располагает Северный флот. Разработка МБК-40 осуществляется в рамках программы «Военное сотрудничество в Арктике по вопросам охраны окружающей среды» (AMEC), которая была принята в 1996 г. министрами обороны Норвегии, России и США /98/.

На рис. 1.33 показан металлический каркас для МБК-40. Общий вид 40-тонного контейнера приведен на рис.1.34 и 1.35. Максимальный (по выступающим элементам конструкции) диаметр контейнера составляет 1850 мм, наружный диаметр корпуса – примерно 1600 мм, а высота – примерно 4610 мм. Максимальный вес контейнера МБК-40 с помещенными в нем чехлами с ОТВС составляет 40 тонн. Внутренняя полость, предназначенная для размещения семи чехлов типа «ЧТ», имеет размеры, аналогичные контейнеру ТК-18 – диаметр 775 мм, высота 3530 мм /99/.

Чехлы типа «ЧТ» предназначены для упорядоченного размещения в них ОТВС в вертикальном положении. Чехол представляет собой сварную конструкцию высотой 3500 мм /99/ и диаметром примерно 200 мм, состоящую из трубного блока и пробки. По оценкам авторов монографии, выполненным на основе анализа имеющейся информации по характеристикам ОЯТ различных ЯЭУ, максимальный вес одного чехла в загруженном состоянии составляет примерно 360 кг. Трубный блок состоит из 3, 5 или 7 труб (в зависимости от типа размещаемых сборок) с толщиной стенки 3 мм, вваренных в корпус и нижнюю решетку, к которой приварено днище. ОТВС различных установок различаются по длине и диаметру, поэтому трубы в чехлах имеют различную высоту и диаметр. С целью обеспечения одинаковой длины для всех чехлов, к днищу чехлов приварены трубы соответствующей длины. Пробка предназначена для герметизации внутренней полости чехла и состоит из крышки с резиновым уплотнением и сварного кожуха с захватом, с помощью которого осуществляется зацепление чехла с грузоподъемными средствами /99/.

Вторая модификация нового упаковочного комплекта (ТУК-114) основана на использовании 80-тонного контейнера /101/ (МБК-80), который позволяет разместить 19-21 чехол с ОТВС /102/. Инициатива по проектированию и строительству 80-тонных контейнеров была предложена в 1998 г. на Совете стран Баренц региона. Так называемый «Мурманский проект по созданию 80-тонного контейнера» направлен на решение проблемы выгрузки и последующего хранения неперерабатываемого ОЯТ, находящегося в хранилище ПТБ «Лотта», и для решения проблемы разгрузки ПТБ «Лепсе» /6,37,98/.

Несмотря на то, что контейнер МБК-80 более экономичен, его использование на базах Северного флота может создать определенные трудности из-за отсутствия соответствующего оборудования и инфраструктуры. Следует отметить, что для решения проблемы выгрузки неперерабатываемого ОЯТ ледокольного флота с помощью контейнеров МБК-80 также требуется дооснащение РТП «Атомфлот» необходимой инфраструктурой /37/.

В настоящее время информация о конструктивном исполнении контейнера данного типа в открытой печати отсутствует.

Таким образом, современная концепция обращения с ОЯТ судовых ЯЭУ в части технических решений по контейнеризации ОТВС предусматривает применение двух типов упаковок - радиационно-защитного контейнера и чехлов, которые могут быть использованы при хранении и транспортировании ОЯТ.

На основе анализа различных концептуальных подходов к решению проблемы обращения с ОЯТ авторами настоящей работы была выполнена ориентировочная оценка количества упаковок – чехлов и контейнеров, которые могут потребоваться для долговременного хранения неперерабатываемого ОЯТ.

В оценке количества чехлов принято, что в одном чехле может быть размещено семь ОТВС, выгруженных из реакторов АПЛ, или пять ОТВС из активных зон ледоколов. Исключение составляют дефектные ОТВС. Учитывая, что такие ОТВС могут иметь значительные конструктивные дефекты, изменившие первоначальные габаритные параметры сборок, можно предположить, что для транспортирования и хранения таких ОТВС могут потребоваться чехлы, отличающиеся от стандартных чехлов относительно бόльшими размерами (диаметром) труб в составе трубного блока. В этом случае количество ОТВС в одном чехле уменьшается. Принято, что в одном чехле может быть размещено 3 дефектные ОТВС, в том числе и сборки, находящиеся в хранилищах «Лепсе».

Свои особенности в части транспортно-технологической схемы должно иметь обращение с топливом из реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. В настоящее время это топливо хранится в составе ОВЧ. Как отмечалось ранее, долговременное хранение ОВЧ является весьма проблематичным вследствие того, что такие системы представляют собой ядерно- и радиационно-опасные объекты по причине их относительно низкой подкритичности. Поэтому, вероятно, что для повышения уровня ядерной и радиационной безопасности в условия долговременного хранения потребуется разборка ОВЧ и последующее размещение топлива данного типа в чехлах и радиационно-защитных контейнерах. Вместе с тем, учитывая, что технология обращения c ОВЧ в настоящее время находиться в стадии разработки, по-видимому, наиболее вероятным является вариант долговременного хранения ОВЧ без разборки. В этом варианте хранение ОВЧ должно осуществляться в специальных инженерных сооружения, обеспечивающих гарантированный уровень физической защиты, а также ядерной и радиационной безопасности подкритических ядерных реакторов, каковыми, по мнению специалистов, являются выгруженные ОВЧ.

В условиях отсутствия надежных способов и технологий выгрузки аварийных активных зон из корпусов реакторов наиболее вероятным способом обращения с ОЯТ аварийных реакторов является их длительное хранение в составе реакторных отсеков по специальной технологии в пунктах длительного хранения реакторных отсеков утилизированных АПЛ. По совокупности научных и инженерно-технических вопросов решение этой проблемы представляет самостоятельную научно-техническую задачу. Поэтому в дальнейшем вопросы длительного хранения аварийного ОЯТ в настоящей монографии не рассматриваются.

С учетом принятых ранее предположений о вместимости чехлов требуемое количество таких упаковок для ОЯТ с неперерабатываемой топливной композицией на основе уран-циркониевого сплава составит 627 единиц. Исходя из предположения, что все дефектные ОТВС, независимо от условий их хранения в настоящее время, должны быть перегружены в новые чехлы типа «ЧТ», можно оценить, что для размещения дефектных ОТВС потребуется 540 чехлов. Следует подчеркнуть, что вследствие значительной неопределенности в количестве дефектных ОТВС, которые могут находиться на БТБ в губе Андреева, количество чехлов, предназначенных для размещения таких ОТВС, может быть существенно больше. Кроме того, некоторое количество чехлов потребуется для длительного хранения неперерабатываемого ОЯТ, которое, предположительно, будет выгружено из реакторов специальных глубоководных АПЛ Северного флота.

Таким образом, суммарное количество чехлов для неперерабатываемого ОЯТ, для которого может потребоваться длительное хранение в регионе, составляет примерно 1170 единиц или более (см. табл. 1.11).

В оценке количества контейнеров принято, что каждый контейнер типа МБК-40 позволяет разместить 7 чехлов с ОТВС, а в одном контейнере типа МБК-80 может быть размещено 20 чехлов. Рассмотрены три варианта использования указанных контейнеров:

- вариант 1: все топливо размещается в контейнерах МБК-40;

- вариант 2: все топливо размещается в контейнерах МБК-80;

- вариант 3: для ОЯТ Северного флота используются только контейнеры типа МБК-40, а для хранения ОЯТ ледокольного флота - контейнеры МБК-80.

Для указанных вариантов может быть выполнена оценка общей стоимости контейнеров. В этой оценке, результаты которой приведены в табл. 1.12, принято, что один контейнер МБК-40 стоит 130 тыс. долларов США, а стоимость 80-тонного контейнера составляет примерно 250 тыс. долларов /102/.

Таблица 1.12

Минимальное количество и стоимость изготовления металлобетонных

контейнеров для хранения неперерабатываемого ОЯТ,

которое может быть накоплено в регионе до 2020 г.

В целом, комментируя результаты оценки, можно отметить, что количество контейнеров для различных вариантов их использования может различаться почти в три раза, при этом суммарные затраты на изготовление контейнеров изменяются от 15 до 22 млн. долларов США. Наиболее высокими затратами отличается вариант с использованием только контейнеров МБК-40. Использование контейнеров МБК-80 позволяет получить экономию затрат на изготовление контейнеров от 5 до 7 млн. долларов. Различия в количестве и весовых параметрах контейнеров также показывают косвенное преимущество использования контейнеров МБК-80 с точки зрения трудозатрат при выполнении транспортно-технологических операций с контейнерами.

Вместе с тем, указанные факторы не могут в полной мере служить основанием для вывода о наиболее оптимальном варианте использования контейнеров различного типа, поскольку при выборе такого варианта необходимо учитывать совокупность организационно-технических и финансовых вопросов. Например, как отмечалось ранее, использование контейнеров МБК-40 позволяет использовать существующую инфраструктуру Северного флота и на РТП «Атомфлот». В случае же использования контейнеров МБК-80 потребуются дополнительные финансовые затраты для развития инфраструктуры ОЯТ Северного флота и ММП. Очевидно, что определенное влияние на выбор оптимальной схемы использования контейнеров может оказать и принятие стратегических решений в отношении способа утилизации неперерабатываемого ОЯТ – переработка или захоронение.

В дополнение к сказанному заметим, что оценка количества металлобетонных контейнеров не учитывает возможное увеличение количества дефектного ОЯТ на БТБ Северного флота, а также потребность в контейнерах для хранения неперерабатываемого ОЯТ из активных зон глубоководных АПЛ.